尺度自适应大气边界层参数化改进及其对一次海雾的数值模拟研究

大气边界层湍流运动是地球大气运动最重要的能量输送过程之一。当数值模式分辨率接近活跃含能湍涡长度尺度时，湍流运动被部分解析，被称为“灰色区域”，传统的边界层方案不适合此时模式湍流问题的描述。为了提高模式边界层方案在包括“灰色区域”的不同网格尺度上的描述能力，适应不同分辨率模式的需要，在雷诺平均湍流理论基础上，修正Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN)方案湍流长度尺度参数和非局地湍流的参数表达，改进湿度和温度在“灰色区域”的湍流输送参数化及对网格尺度的自适应能力。利用改进的MYNN尺度自适应方案，分别采用3 km和1 km、1.5 km和0.5 km分辨率单向嵌套网格WRF中尺度模式，对2014年2月26日的一次黄海海雾过程进行模拟试验，检验不同分辨率下改进后的MYNN大气边界层参数化方案的合理性和对海雾的模拟效果。尺度自适应MYNN大气边界层参数化方案在千米级网格尺度上获得稳定、合理的湍流垂直输送计算结果。参照雾区卫星云图，不同分辨率模式低层云水混合比模拟结果具有稳定表现，模拟的雾区分布和温度、湿度等物理量结构都较好地再现了再分析“观测事实”，初步表明该参数化方案有较高的网格尺度自适应能力。      

高黎贡山复杂地形下局地环流的数值模拟研究

本文利用中尺度模式WRF（weather research and forecasting）模拟了2016年干季和湿季高黎贡山南段（腾冲—保山地区）山谷风环流,分析YSU、MYJ、MYNN3、ACM2和BouLac五种边界层参数化方案在高黎贡山复杂下垫面的适用性。研究结果表明YSU方案对温度模拟的效果最好;ACM2模拟的风速平均绝对误差最小;MYNN3方案模拟的风向绝对误差最小,YSU方案和MYJ方案模拟的风向日变化趋势与观测更加一致。高黎贡山南段地区上午09时（北京时,下同）出现谷风环流,夜间19时转为山风环流。白天多为偏南风,夜间为偏北风和偏西风。白天山顶气流辐合而山谷气流辐散,夜间相反。白天风速大于夜间。干季西风风力较弱,有利于低层局地环流的发展;而湿季受较强的偏东背景风影响时,局地环流的发展受到抑制,边界层高度也就低于干季。干季西风遇到高黎贡山,在西坡下沉并形成涡旋,西侧湍流混合充分,边界层高度高;湿季偏东风使高黎贡山西侧谷风减弱,腾冲与保山的边界层高度相差不大。     

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

WRF模式对山谷城市边界层模拟能力的检验及地面气象特征分析

利用先进的WRF中尺度模式中3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2),模拟了2005年1月25~28日兰州市冬季地面温度和风速的变化,并与同期系留探空和自动气象站的实测资料进行了对比分析。结果表明:对兰州冬季大气边界层地面温度日变化的模拟,局地闭合的MYJ方案优于非局地闭合的YSU和ACM2方案;3种方案模拟的夜间位温廓线较好,白天的较差;在边界层低层,考虑局地和非局地闭合的ACM2方案模拟的位温廓线与观测值比较一致;在边界层上部,局地闭合的MYJ方案则更适合于描述大气湍流对位温垂直分布的影响;3种边界层参数化方案模拟的兰州地区冬季温度场空间分布特征相似,但MYJ方案模拟的夜间温度低于YSU和ACM2方案,白天则高于YSU和ACM2方案。     

北京边界层参数化敏感性模拟研究

利用中尺度数值天气预报模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟晴天条件下北京边界层的气象场特征,并通过敏感性试验研究四组边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和BL)对辐射、地表能量、近地面气象要素以及边界层结构的模拟差异。结果表明:四种边界层参数化方案都可以准确模拟向下短波辐射,对长波辐射的模拟能力相似。YSU方案模拟的感热通量最低,四种参数化方案对地表净辐射通量的模拟差异主要受到短波辐射的影响。MYJ方案模拟的2 m温度效果最好,YSU方案对2 m比湿以及10 m风速的模拟效果最优,综合而言,YSU方案对近地面气象要素的模拟效果较好。与探空数据对比,得到四种边界层参数化方案模拟的高层温度廓线偏冷,湿度偏高,风速偏低。与气象铁塔观测数据对比,白天四组试验都能够较为准确地反映温度垂直廓线,YSU方案在15 m以上模拟的相对湿度结果最接近观测值。YSU方案模拟的边界层高度最高,非局地方案模拟的边界层高度相对局地方案更高,MYJ方案模拟的边界层高度误差较大。     

边界层参数化方案对高原低涡东移模拟的影响

利用新一代中尺度气象数值模式WRF的三种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2方案),对比检验了2008年7月1-3日和2009年7月29-30日两次高原低涡东移过程的模拟效果,初步分析了三种参数化方案模拟的高原大气边界层物理量特征.结果表明,从高原低涡生成后模拟至24 h,不同边界层方案均能较好地模拟出高原低涡的路径和中心强度.其中,采用MYJ方案得到的结果最接近观测值,而ACM2方案的偏差最大.不同的边界层参数化方案模拟的水平风速、位温、垂直速度场以及相当位温场的垂直分布特征有所不同.三种方案都较好地模拟出高原边界层高度的时空分布特征,而且日变化明显,空间上呈西高东低分布.通过对比分析地表感热和潜热通量,表明局地闭合的MYJ方案较适用于模拟潜热通量,由于受较强湍流交换和高层夹卷作用,非局地闭合的YSU和ACM2方案模拟的感热通量值偏大.根据研究对象的特点采用合适的边界层参数化方案,模拟效果有明显的改进.     

WRF模式多种边界层参数化方案对四川盆地不同量级降水影响的数值试验

利用中尺度模式WRF三种边界层参数化方案(MYJ、YSU和ACM2),对2012年四川盆地夏季连续40天逐日降水量进行数值试验,并检验评估了不同边界层参数化方案下模式对分级降水量和边界层结构的模拟能力,分析了各参数化方案对降水量模拟差异的可能原因。结果表明:三种边界层参数化方案对较小量级(小雨和中雨)降水量的模拟,24 h时效优于48 h,ACM2方案效果较好;对较大量级(大雨和暴雨)降水的模拟,48 h时效优于24 h,YSU方案模拟效果较好。对比分析温江站加密探空观测与模式模拟的大气边界层结构表明,ACM2方案对小量级降水时边界层结构的模拟较为准确,而YSU方案更适合于温江站大量级降水时边界层结构的模拟。不同边界层参数化方案对各量级降水量模拟差异的可能原因是边界层湍流混合强度的不同,MYJ方案湍流混合作用较弱,导致底层大量水汽积聚,不稳定性强,容易产生虚假降水,因此对各量级降水模拟能力均有限;YSU方案具有强烈的垂直混合强度,有利于局地水汽的向上输送,更易达到大量级降水发生发展的条件,适用于盆地较大量级降水的模拟;ACM2方案在保证足够湍流混合强度的同时,在较稳定条件下会关闭非局地输送,不致于产生过强降水,适合盆地较小量级降水的数值模拟     

宁夏两次低涡暴雨过程边界层方案的敏感性试验

利用中尺度数值模式WRF选取3种边界层参数化方案（YSU、MYJ和ACM2）对2018年8月20日和2019年8月2日宁夏两次低涡暴雨过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对暴雨过程模拟的影响。结果表明：YSU和MYJ方案对暴雨的预报性能均较优,ACM2方案对强降水的空报率较大;YSU方案对逐时中等强度降水的模拟效果更优。YSU方案对低涡系统的移动路径和中心强度模拟效果最好。相比ACM2方案,YSU和MYJ方案对环境场物理量和边界层内水汽混合比的模拟更接近实况,并且YSU方案能准确地反映边界层内位温分布特征。YSU与ACM2方案的湍流混合强度更强,后者维持较强湍流的时间更长。总体上,YSU方案对宁夏低涡暴雨过程的模拟效果最优。     

台风“莫拉菲”对不同边界层方案的敏感性数值模拟

利用WRF中尺度模式,在不同边界层方案下对2009年第6号台风"莫拉菲"登陆前后的主要过程进行了数值模拟,分析了边界层参数化方案对台风的大环境场、路径、强度和累积降水的影响。并通过对边界层过程中的感热通量和潜热通量进行分析,表明台风强度和累积降水主要是由水汽凝结潜热释放造成的。MRF方案为非局地K理论方案,YSU方案是新一代的MRF方案,增加了显式处理的夹卷层过程,而MYJ方案是Mellor-Yamada2.5级湍流闭合方案,主要是使用TKE闭合方法。模拟结果表明,YSU方案比MRF方案在模拟结果中有明显的改善,MYJ方案出现在模拟台风强度过强的情况。综合来说,YSU方案的模拟结果较好。     

利用TWP-ICE试验资料对比两种边界层参数化方案

利用高分辨率WRF单气柱模式,选取了两种边界层参数化方案(YSU,MYJ),对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟,比较了两种方案对边界层结构、云和降水模拟的影响。结果表明:季风活跃期,YSU方案模拟的湍流交换系数较小,湍流混合偏弱,边界层内热通量偏小,使地表热量和水汽不易向上输送,水汽含量在近地表明显偏多,而在边界层及其以上大气层具有显著的干偏差,因此该方案模拟的云中液态水和固态水含量偏低,云量偏少,降水率偏小;MYJ方案对于季风活跃期的边界层结构具有较好的模拟能力,其模拟的云和降水更为准确。季风抑制期,MYJ方案模拟的夜间边界层结构存在较大误差,这是因为该方案模拟的夜间湍流交换系数较大,湍流混合偏强,边界层内热通量偏大,模拟的位温和水汽混合比在边界层内随高度变化较小,而观测廓线在边界层内存在较大梯度。季风抑制期两种方案模拟的云和降水均比观测值偏多,方案之间的差异较小。     

边界层方案对一次西南涡背景下局地暴雨过程影响分析北大核心

利用WRF模式对2017年6月9日重庆合川区一次局地暴雨过程开展对流可分辨尺度的模拟试验,比较三种边界层参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同试验均能模拟出此次降水的主要分布特征,而不同边界层参数化方案能够显著影响降水落区和强度的模拟。MYJ方案对强降水的模拟最好,能较好地模拟出降水触发的时间和位置;其次为BouLac方案,触发时间偏晚约2 h,降水落区与MYJ方案相近;YSU方案模拟的降水分布偏差较大,降水触发的位置和落区偏北。湍流混合强度是造成落区模拟差异的主要原因,通过影响1.5 km高度以下风场分布改变造成此次局地强降水过程的西南涡位置,进而影响到降水的落区。基于YSU方案的湍流混合减弱试验证明了湍流混合强度与降水落区的关系。     

WRF模式边界层参数化方案对川渝盆地西南涡降水模拟的影响

应用WRF v4.0模式五种边界层参数化方案（YSU、MYJ、MYNN2、ACM2和SH）,对2016 年汛期（5～9月）在川渝盆地东部造成暴雨的所有西南涡过程进行了数值模拟,检验评估了它们对各量级降水的预报能力,并基于加密的L波段秒级探空资料对比分析了模拟与实况边界层结构的差异,结合各方案对湍流运动的算法特点探讨了其差异的原因,最后对ACM2方案进行了湍流强度调整,由此改善其对于川渝盆地边界层与西南涡降水的模拟能力。结果表明:ACM2和YSU方案TS评分表现较好,相对其它方案ACM2空报较少,这种可以根据周围环境的稳定性切换局地或非局地算法的方案更适合于盆地西南涡降水模拟,但边界层方案对西南涡降水的空报都较普遍,尤以大量级降水更明显;精细的探空资料进一步表明,所有方案模拟的白天边界层高度都偏高,湍流混合强度都偏强。通过参数调整而降低混合强度的ACM2方案,模拟的边界层温湿结构则更符合实际观测,其边界层下部温度更低、湿度更高,减少了大量级降水的空报,使盆地西南涡降水模拟有一定改善;边界层参数化方案对西南涡模拟的差别主要体现为不同的西南涡位置与降水强度,但归根到底都源于方案的局地或非局地特性、不同的混合强度这两方面原因。因此,根据不同特定区域下垫面环境与气候状况合理选择方案的特性和混合强度是准确模拟边界层结构及其降水过程的关键。     

An Investigation into the Processes and Quantity of Dust Emissions over Gravel and Sand Deserts in North-Western China

The quality of nocturnal temperature forecasts made by the Weather Research and Forecast (WRF) numerical model is evaluated. The model was run for all July 2012 nights, and temperature fields compared to hourly observations made at 26 weather stations in southern Brazil. Four different planetary boundary-layer (PBL) schemes are considered: Bougeault–Lacarrere (BouLac), Quasi-Normal Scale Elimination (QNSE), Yonsei University (YSU) and Mellor–Yamada–Janjic (MYJ). Additional simulations to assess the role of higher horizontal and vertical resolutions were performed using the MYJ scheme. All schemes, except BouLac, underestimated the 2-m temperature, and in all cases the temperature bias is dependent on wind speed. At high wind speeds, all schemes exhibit a cold bias, which is greater for those that yield lower nocturnal surface-layer turbulent intensity. The elevation difference between each station and the model nearest grid point \(H_{\textit{station}} -H_{\textit{gridpoint}} \) is highly correlated with the temperature simulation error. We found that a consistent cold bias is restricted to conditions with low-level clouds. We concluded that one possible means of improving nocturnal temperature forecast is to use parametrization schemes that allow for higher turbulent intensity in near-neutral conditions. The results indicate that this improvement would partially counteract the misrepresentation of the low-level cloud cover. In most stable cases, a post-processing algorithm based on terrain characteristics may improve the forecasts.     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

Numerical Simulation of the Rapid Intensification of Hurricane Katrina(2005):Sensitivity to Boundary Layer Parameterization Schemes

Accurate forecasting of the intensity changes of hurricanes is an important yet challenging problem in numerical weather prediction. The rapid intensification of Hurricane Katrina(2005) before its landfall in the southern US is studied with the Advanced Research version of the WRF(Weather Research and Forecasting) model. The sensitivity of numerical simulations to two popular planetary boundary layer(PBL) schemes, the Mellor–Yamada–Janjic(MYJ) and the Yonsei University(YSU) schemes, is investigated. It is found that, compared with the YSU simulation, the simulation with the MYJ scheme produces better track and intensity evolution, better vortex structure, and more accurate landfall time and location. Large discrepancies(e.g.,over 10 hPa in simulated minimum sea level pressure) are found between the two simulations during the rapid intensification period. Further diagnosis indicates that stronger surface fluxes and vertical mixing in the PBL from the simulation with the MYJ scheme lead to enhanced air–sea interaction, which helps generate more realistic simulations of the rapid intensification process. Overall, the results from this study suggest that improved representation of surface fluxes and vertical mixing in the PBL is essential for accurate prediction of hurricane intensity changes.     

WRF中三种边界层参数化方案对新疆2.28大风过程模拟的对比分析

许多研究调查了模式预报对边界层方案的敏感性,但是这些研究基本上针对的是热力驱动的混合边界层。对于动力驱动的边界层,不同边界层方案的不同性能以及所带来的不同边界层气象要素的预报还不清楚。运用WRF3.4.1中三种边界参数化方案（YSU、MYJ、ACM2）对新疆2.28大风过程进行数值模拟分析,结果显示：三种边界参数化方案基本能模拟出发生大风的区域及大风过程中10m风速、2m温度和比湿的变化趋势;三种方案模拟的边界层内大气的温度、湿度出现差异与它们对边界层顶的夹卷过程、边界层内垂直混合的处理有关;YSU方案的模拟结果使得更多的高空动量下传,同时更多的有效位能转化为动能,MYJ方案模拟的20m/s的风场区域更大,受地形影响更明显,边界层内湍流更强。